CN113871892A - 一种基于Bennett机构的空间可展开固面天线及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于可展开天线技术领域，公开了一种基于Bennett机构的空间可展开固面天线及应用，天线基座上固定有以Bennett机构为基本单元组成的n‑RRR/R可展开并联机构，可展开并联机构输出杆与面板连接；天线基座上通过支撑柱固定有中心底盘面，中心底盘面上侧固定有馈源调整架。本发明Bennett机构拥有展开面板所需的最少杆件数，同时其运动副为简单的旋转副，天线的展开可靠性高；同时Bennett机构所拥有的转动副最少，转动副误差累积小，使面板展开后的对齐误差小，最终天线展开后的型面精度高。轻量化和低成本：面板的展开机构至少需要4个构件，Bennett机构也是最小杆数，制造成本也越低、重量越小。

Description

一种基于Bennett机构的空间可展开固面天线及应用

技术领域

本发明属于可展开天线技术领域，尤其涉及一种基于Bennett机构的空间可展开固面天线及应用。

背景技术

目前，空间可展开天线作为获取无线电信息的电子装备，已被广泛应用到卫星通信、深空探测、电子对抗等众多领域，大口径、轻量化、高精度是评价可展开天线性能的重要性能评价指标。由于火箭整流罩尺寸的限制，大口径天线只能做成可展开式的。这种天线在发射阶段处于收拢状态，达到预定轨道就展开形成工作面。天线工作频率高必须要求型面精度高，而固面可展开天线具有型面精度高的优点。最常见的固面可展开天线为花瓣式可展开固面天线，然而这类天线却有结构笨重、造价高昂、展开可靠性低和反射面对齐误差大等缺点。除此之外，天线馈源三脚架因存在加工制造误差且未设置补偿措施而导致馈源未处于抛物面焦点、天线展开态的锁紧复杂。因此，亟需一种新型可展开天线解决尚存问题。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中反射面精度可能来源于可展开机构单元，天线馈源三脚架因存在加工制造误差且未设置补偿措施而导致馈源未处于抛物面焦点；同时天线展开态的锁定复杂。

解决以上问题及缺陷的难度为：本发明保证天线展开/收拢的同时要考虑天线指向精度和可靠性；可展开天线要求质量小，但质量和刚度两者是互相矛盾的；天线展开态的锁定机构要可靠，避免过定位和欠约束造成的误差；馈源三脚架因加工制造误差引起不可调。

解决以上问题及缺陷的意义为：本发明从精准性、可调性、轻量化和可靠性等方面优化设计了一种基于Bennett机构的空间可展开固面天线，有效提高可展开天线反射面的型面精度、展开可靠性以及降低天线重量，同时馈源舱可调可以消除因加工制造产生的误差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于Bennett机构的空间可展开固面天线及应用。

本发明是这样实现的，一种基于Bennett机构的空间可展开固面天线，所述基于Bennett机构的空间可展开固面天线设置有：

天线基座；

天线基座上固定有以Bennett机构为基本单元组成的n-RRR/R可展开并联机构，n-RRR/R可展开并联机构的输出杆与面板连接；

天线基座上通过支撑柱固定有中心底盘面，中心底盘面上侧固定有馈源调整架。

进一步，所述n-RRR/R可展开机构包括：基座（静平台）、支链、同步轮（动平台）；

Bennett机构单元包括：同步轮辐射杆、Bennett机构同步连杆、Bennett机构输出杆、机架和可展开单元锁紧结构。

支链由n组同步轮与Bennett机构同步连杆、Bennett机构同步连杆和Bennett机构输出杆、Bennett机构输出杆和天线基座所形成的的3个转动副外加1个同步轮与天线基座所形成的转动副构成。

进一步，所述Bennett机构单元为多个，每个面板刚性连接在Bennett机构的输出杆上，当天线完全展开后这些面板与中心底盘面组成全周抛物反射面。

进一步，所述Bennett机构单元均布在天线基座的圆周方向上，当天线完全展开后面板与中心底盘面组成全周抛物反射面。

进一步，所述n-RRR/R可展开并联机构由基座（静平台）、支链、同步轮（动平台）构成；同步轮与电机输出端连接，电机固定端安装于天线基座上。

进一步，所述天线基座的圆周方向上均布斜柱，用于安装面板和Bennett机构输出杆，并形成一个固定在天线基座上的转动关节。同样地，所述同步盘圆周上也均布了相同数量、相反角度的斜柱，以实现Bennett可展开机构单元；

所述天线基座圆周方向上均布有斜柱，用以安装面板和Bennett机构输出杆，并形成一个固定在天线基座上的转动关节。

进一步，所述可展开机构锁紧部由楔形块和弹簧组成；由楔形块和弹簧组成的可展开单元锁紧部固定在Bennett机构输出杆的圆柱孔内；天线基座的斜柱上留有嵌入楔形块的限位槽，当天线完全展开时，所述楔形块滑入槽中，与Bennett机构输出杆的锁止槽面联合限制Bennett机构输出杆的继续转动；当天线需要收拢时，可逆向转动Bennett机构输出杆，楔形块的楔形面可滑出限位槽。

进一步，所述馈源调整架是由虎克铰、电动推杆和馈源盘组成的6-UPS并联机构，具有六个自由度；

馈源盘与电动推杆上端用球铰连接，电动推杆底端与虎克铰连接，虎克铰与支撑柱固定。

本发明的另一目的在于提供一种所述基于Bennett机构的空间可展开固面天线在卫星通信、深空探测或电子对抗中的应用。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明可靠性和反射面型面精度高：Bennett机构拥有展开面板所需的最少杆件数，同时其运动副为简单的旋转副，故天线的展开可靠性高；同时Bennett机构所拥有的转动副最少，转动副误差累积小，从而天线展开后的反射面型面精度高。轻量化和低成本：面板的展开机构至少需要4个构件，Bennett机构也是最小杆数，因此制造成本也越低、重量越小，从而发射成本越低，可展开机构单元的同步轮用单电机驱动，进一步减小了重量与成本。灵活可调且刚度大：馈源调整架是6-UPS并联机构，可以通过主动控制该机构，将馈源调整到天线展开态反射面最佳吻合抛物面对应焦点的位置，从而减小天线展开态反射面的型面误差对天线电性能的影响。解决了因加工制造误差引起的不可调问题，且增加了馈源架的刚度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于Bennett机构的空间可展开固面天线结构示意图；

图2是本发明实施例提供的n-RRR/R可展开并联机构示意图；

图3是本发明实施例提供的天线可展开单支链结构示意图；

图4是本发明实施例提供的可展开抛物面天线展开与收拢过程示意图；

图中：图a、收拢态；图b、中间态；图c、展开态。

图5是本发明实施例提供的可展开单元锁紧部结构***示意图；

图中：1、天线基座；2、Bennett机构单元；201、Bennett机构输出杆；202、Bennett机构同步连杆；203、同步轮辐射杆（虚线）；204、机架（虚线）；3、中心底盘面；4、馈源调整架；401、虎克铰；402、电动推杆；403、馈源盘；5、面板；6、电机；7、同步轮；8、支撑柱；9、楔形块；10、弹簧。

图6是本发明实施例提供的可展开天线机构设计证明部分用图；

图中：图a、平面汇交；图b、空间平行；图c、共面；图d、空间共点；图e、单页双曲面上不相交的直线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于Bennett机构的空间可展开固面天线及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供的基于Bennett机构的空间可展开固面天线业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的基于Bennett机构的空间可展开固面天线仅仅是一个具体实施例而已。

如图1所示，该图为天线的展开态示意图。本发明实施例提供的基于Bennett机构的空间可展开固面天线设置有天线基座1，天线基座1上固定有n-RRR/R可展开机构，n-RRR/R可展开并联机构输出杆201与面板5连接。天线基座1通过支撑柱8固定有中心底盘面3，中心底盘面3上侧固定有馈源调整架4。

如图2与图3所示，本发明实施例提供的n-RRR/R可展开机构包括：面板5、Bennett机构单元2、同步轮7；

Bennett机构单元2包括：Bennett机构输出杆201、Bennett机构同步连杆202和同步轮辐射杆（虚线）203、机架204（虚线）可展开单元锁紧结构；

n-RRR/R可展开机构设置有多个Bennett机构单元2，每个Bennett可展开机构单元2的输出杆与对应的单个面板5刚性连接。n为支链数目，其值与面板数相等且图例中数量为12，R为转动副。Bennett机构单元2均布在天线基座1的圆周方向上，以便实现面板5的同步展开从而与中心底盘面3组成全周抛物反射面。

n-RRR/R可展开并联机构其静平台为基座，动平台为同步轮，支链由n组同步轮7与Bennett机构同步连杆202、Bennett机构同步连杆202与Bennett机构输出杆201、Bennett机构输出杆201与基座1所形成的3个旋转副，外加一个由同步轮7与基座1所形成的旋转副组成；为了实现天线的展开与收拢n个面板5刚性连接在n-RRR/R可展开并联机构支链的Bennett机构输出杆上；同步轮7与电机6输出端连接，电机6固定端安装于天线基座1上，用于驱动同步轮7转动；当电机6带动同步轮7转动时，就带动n个Bennett机构同步连杆202运动，从而带动n个Bennett机构输出杆201运动，最终带动n个刚性连接在其上的面板5运动，从而实现了天线的展开与收拢（如图4所示）。火箭发射阶段收拢后的天线（图4(a)）放置在火箭整流罩中，进入预定轨道后电机驱动n-RRR/R可展开并联机构实现天线的展开（图4(c)。

天线基座1的圆周方向上均布有斜柱，用于安装面板5和Bennett机构输出杆201，并形成一个固定在天线基座1上的转动关节。同样地，同步轮7圆周上也均布了相同数量、相反角度的斜柱，以实现Bennett可展开机构单元。

面板5与Bennett机构输出杆201通过螺栓固连，等效于同一杆，其巧妙之处在于面板底端的折弯杆根据空间展开原理有效传递了面板5的径向向外转动和绕自身轴线转动的同步复合运动，并避开了干涉域。

如图2所示，本发明实施例提供的馈源调整架4由虎克铰401、电动推杆402和馈源盘403组成的6-UPS并联机构，具有六个自由度。

馈源盘403与电动推杆402用球铰连接，电动推杆402与虎克铰401连接，虎克铰401与支撑柱8固定。

馈源调整架可通过驱动电动推杆402的实现长度变化以调整馈源盘403的中心点（馈源所在位置）使其位于天线展开态反射面最佳吻合抛物面对应焦点（图1）的位置，从而减小天线展开态反射面的型面误差对天线电性能的影响。解决了因加工制造误差引起的不可调问题，且增加了馈源架的刚度。

如图4所示，为使本发明实施例展开过程更清楚，对天线展开过程进行仿真；结果表明天线能顺利且平稳地展开同时面板与面板之间没有发生干涉。

如图5所示，本发明实施例的提供的可展开单元锁紧结构由楔形块9和弹簧10组成，楔形块9与弹簧10固定连接；可展开单元锁紧结构固定在Bennett机构输出杆201的圆柱孔内。楔形块9嵌入在天线基座1的斜柱上留有的限位槽内部。

当天线完全展开时，楔形块9滑入槽中，槽面和Bennett机构输出杆201的锁止槽面联合限制Bennett机构输出杆201的继续转动；当天线需要收拢时，可逆向转动Bennett机构输出杆201，楔形块9的楔形面可滑出限位槽。

如图6所示，是本发明实施例的可展开天线机构设计证明部分用图。由改进的Kutzbach-Grübler公式可知：

式中m为机构的阶数（1 ≤ m ≤ 6），n为构件数目（包含机架，n ≥ 2），f _i 为运动副自由度（1≤ f _i ≤3）。

a)由于天线的展开需要大范围的旋转运动（100度左右），故球面副（f = 3）不适合用在展开机构中。

b)圆柱副（f = 2）、螺旋副（f = 2）以及移动副（f = 1）由于运动副裸露在环境中，也不适合在展开机构上。

c)虎克铰（f = 2）由3个构件、2个旋转副组成，运动副和构件较多，从而可靠性和精度较差。

d)复合铰（f = 3）由4个构件、3个旋转副组成，运动副和构件较多，从而可靠性和精度较差。

综上所述要实现具有高可靠性、高精度、不发生干涉且不易被外界环境腐蚀的展开机构，其运动副应该为旋转副（f _i = 1）。

对于每片面板，其展开机构为一个单闭环机构，故n=g，G-K公式变为n=m+1。

当n = 2，则m = 1。这种情况只有在全部运动副为移动副时，才能实现，故舍去。

当n = 3, 则m = 2。这种情况，必须要求全部旋转副轴线在平面上汇交（图6(a)），才能实现。而面板的展开为空间中的复杂运动，故舍去。

当n = 4，则m = 3。此时有4种情况（图6（b-d））

1)旋转副轴线空间平行（图6（b）），该机构为一个平面四杆机构，无法实现空间运动的传递，舍去。

2)旋转副轴线共面（图6（c）），此时可以使用虎克铰（十字联轴器）或锥齿轮来实现。关于虎克铰缺点，前面已经论述。而锥齿轮非常笨重，造价高昂，故也不是一个好的选着，故舍去这种情况。

3)旋转副轴线空间共点（图6中（d）），该条件太苛刻，无法实现。

4)旋转副轴线为单页双曲面上不相交的直线（图6（e）），这种机构就是Bennett机构。

综上所述，面板对应的展开机构至少需要4个构件。由于只要一个构件失效，面板的展开就会失败，从而天线的展开失败。从可靠性的观点来看，天线的展开为一个串联***，故构件数越少，可靠性越高。同时构件数越少，运动副也越少，从而由运动副造成的累积误差就越小，从而面板展开态的对齐误差就越小，最终天线展开态型面精度越高。同时制造成本也越低。重量越小，从而发射成本越低。因此，Bennett机构是展开单片面板的最佳选择，以其为基本单元实现天线的同步展开。天线基座上固定有以Bennett机构为基本单元组成的n-RRR/R可展开并联机构，可展开并联机构输出杆与面板连接；天线基座上通过支撑柱固定有中心底盘面，中心底盘面上侧固定有馈源调整架。本发明可靠性和精度高：Bennett机构拥有展开面板所需的最少杆件数，同时其运动副为简单的旋转副，故天线的展开可靠性高；同时Bennett机构所拥有的转动副最少，转动副误差累积小，从而使面板展开后的对齐误差小，最终天线展开后的型面精度高。轻量化和低成本：面板的展开机构至少需要4个构件，Bennett机构也是最小杆数，因此制造成本也越低、重量越小，从而发射成本越低，可展开并联机构的同步轮用单电机驱动，进一步减小了重量与成本。灵活可调且刚度大：馈源调整架是6-UPS并联机构，解决了因加工制造误差引起的不可调问题，且增加了馈源架的刚度。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于Bennett机构的空间可展开固面天线，其特征在于，所述基于Bennett机构的空间可展开固面天线设置有：

天线基座；

天线基座上固定有以Bennett机构为基本单元组成的n-RRR/R可展开并联机构，n-RRR/R可展开并联机构的输出杆与面板连接；

天线基座上通过支撑柱固定有中心底盘面，中心底盘面上侧固定有馈源调整架。

2.如权利要求1所述基于Bennett机构的空间可展开固面天线，其特征在于，所述n-RRR/R可展开机构包括：基座（静平台）、支链、同步轮（动平台）；

Bennett机构单元包括：同步轮辐射杆、Bennett机构同步连杆、Bennett机构输出杆、机架和可展开单元锁紧结构；

支链由n组同步轮与Bennett机构同步连杆、Bennett机构同步连杆和Bennett机构输出杆、Bennett机构输出杆和天线基座所形成的的3个转动副外加1个同步轮与天线基座所形成的转动副构成。

3.如权利要求2所述基于Bennett机构的空间可展开固面天线，其特征在于，所述Bennett机构单元为多个，每个面板刚性连接在Bennett机构的输出杆上，当天线完全展开后这些面板与中心底盘面组成全周抛物反射面。

4.如权利要求2所述基于Bennett机构的空间可展开固面天线，其特征在于，所述Bennett机构单元均布在天线基座的圆周方向上，当天线完全展开后面板与中心底盘面组成全周抛物反射面。

5.如权利要求2所述基于Bennett机构的空间可展开固面天线，其特征在于，所述n-RRR/R可展开并联机构由基座（静平台）、支链、同步轮（动平台）构成；同步轮与电机输出端连接，电机固定端安装在天线基座上。

6.如权利要求2所述基于Bennett机构的空间可展开固面天线，其特征在于，所述天线基座的圆周方向上均布斜柱，用于安装面板和Bennett机构输出杆，并形成一个固定在天线基座上的转动关节；同样地，所述同步轮圆周上也均布了相同数量、相反角度的斜柱，以实现Bennett可展开机构单元。

7.如权利要求2所述基于Bennett机构的空间可展开固面天线，其特征在于，所述可展开机构锁紧部由楔形块和弹簧组成；由楔形块和弹簧组成的可展开单元锁紧部固定在Bennett机构输出杆的圆柱孔内；天线基座的斜柱上留有嵌入楔形块的限位槽，当天线完全展开时，所述楔形块滑入槽中，与Bennett机构输出杆的锁止槽面联合限制Bennett机构输出杆的继续转动；当天线需要收拢时，可逆向转动Bennett机构输出杆，楔形块的楔形面可滑出限位槽。

8.如权利要求1所述基于Bennett机构的空间可展开固面天线，其特征在于，所述馈源调整架是由虎克铰、电动推杆和馈源盘组成的6-UPS并联机构，具有六个自由度；

馈源盘与电动推杆上端用球铰连接，电动推杆底端与虎克铰连接，虎克铰与支撑柱固定。

9.一种如权利要求1~8任意一项所述基于Bennett机构的空间可展开固面天线在卫星通信、深空探测或电子对抗中的应用。

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